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1課程設計中使用商業軟件

目前工程類的專業基礎教學主要有兩大模式:1)以課堂教育為主，結合多媒體教學模式，以音頻和視頻(動畫模式或記錄短片的模式等)進行理論教學［4］;2)理論和實驗教學相結合的方式，將部分學時分配到課堂實驗教學以及學生動手實驗教學兩個環節進行理論和實踐相結合的教學［5－9］。模式1)使得課堂教學的理論內容更加豐富多彩，涵蓋的內容更加廣泛，但是由于課時數有限，在顧及了教學廣度的同時，教學深度不能得到有效的保證。在某些極端的情況下，學生上課時看各種物理現象覺得好玩，下課后卻對課堂上學習的具體知識茫然無解，當對具體的問題進行討論分析時更是一頭霧水，不知道從何下手。在這種情況下，如果學生能夠發揮主觀能動性，在課后深入地學習課本上的知識，并閱讀其他補充教材進行印證補充，那么就可以完全解決深度問題。為了讓學生在課后對課本上的知識進行進一步消化鞏固，通常采用加大課后作業的手段來督促學生進行自主學習。這種以課后習題敦促自學的方法對部分愿意自主學習的學生具有非常好的效果，能夠在經歷了課堂上相對比較寬泛的知識點以后對每一個知識點進行鞏固學習;但是，對于缺乏學習主動性的學生來說，課堂上種類繁多的知識點和課后枯燥機械的習題形成的反差使得他們不知從何下手去完成課后作業，學生通常在不同的知識點和不同的公式之間疲于奔命，難以進行清晰有效地理解和探討。模式2)將實驗教學加入到理論教學中，部分解決了理論和實踐問題之間的差距，使得學生可以更加直觀地理解課堂上某些知識點相關的物理現象，但是這種教學方法有以下3個不可避免的問題:1)不論是課堂教學實驗還是實驗室學生自己動手的實驗，都需要相對比較多的時間進行鋪墊準備，在有限的教學學時內無法針對每一個重要的電磁學現象都安排相應的實驗內容;2)由于實驗室相對較少，設備以及維護費用相對昂貴，通常無法滿足每個學生的教學需求;3)實驗教學通常只針對可以用簡單的實驗手段實現的知識點，而且實驗設計的前提是這些知識點相關的實驗必須是可以直觀地進行現象觀察的。這些限制條件決定了符合實驗教學的知識點缺乏全面性。可以說，投入的時間和財力都不少，但是涉及的知識點卻不夠全面。課程設計這個教學形式早已存在，但是一般情況下僅僅作為課堂教學的一個實踐性補充，并未提到特別重視的位置。目前，計算機和網絡的普及情況為課程設計提供了另外一種思路，即數字化的課程設計方法。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，高校大學生需要在具備一定專業知識的前提下學會使用與本專業相關的商業軟件，如電子信息專業的學生需要了解并學會使用的商業軟件有編程軟件Matlab和VC++等，仿真軟件HFSS和ADS等。而這些相關軟件的學習和使用，通常不會專門開課來進行學習，因為這本來就是學生為了提高自身就業優勢和提升專業技能而需要學會的自學課程。因此，在課堂上引入一部分和本課程本專業密切相關的商業軟件的使用技能，不但不會成為學生學習過程中的負擔，反而是他們樂意學習并且去掌握的技能。綜上所述，為解決前文中提到的在教學過程中的問題，同時結合目前的教學環境和學生的自身專業素養，本文提出了應用商業軟件進行課程設計的思路，即針對教學中需要掌握并深入剖析的知識點設計課程設計的內容，讓學生在商業軟件平臺上建立并仿真電磁學的模型，利用學到的知識對相應的物理現象進行觀察和規律分析。

2課程設計實例

課程設計是教學設計中的一個環節，針對一個目的或者一個內容進行有計劃、有結構的系列活動。對電磁場理論相關的課程教學而言，課程設計的內容需要針對教學中比較難理解的、比較抽象的，或是需要對知識點進行綜合討論的內容來進行設計。因此，課程設計環節在“電子工程數學方法”“電磁場與波”以及“微波技術基礎”課程的課堂教學中，對理論教學和實踐教學相結合的重點環節進行了設計和討論。由于商業軟件平臺可以模擬相對理想的實驗環境，并且在觀察物理現象時也不必拘泥于實驗裝置和物理實現方法困難的問題，在課程設計題目的設計上，可以選擇盡量涵蓋本課程大部分知識點的題目進行仿真設計，或者根據學生在學習過程中需要進行直觀化理解的物理現象進行設定。如在本科第3學期，在學生對電磁波/場的概念還處于力線的范疇，對電磁波在導波系統中的傳播規律還沒有進行具體學習的前提下［10］開設“電子工程數學方法”課程，學生對為何要求解泛定方程，為何要加入邊界條件等原因并沒有一個具象化的認識。盡管在課堂教學中提出求解定解問題就是泛定方程和邊界條件以及初始條件的結合，學生也只是機械地記住了這個說法而已。在這個前提下再提出如何求解波動方程和泊松方程等方法，學生也只是迷茫地在幾個特殊形式的方程中機械地求解而已。課后常有學生反映:“為什么就學這幾個方程”“這些方程求解方法到底學了有什么用”等等問題。這些問題給一個答案并不難，難的是學生就算聽懂了答案，還是不知道其真正應用在何處。因此，在這門課的課程設計題目是用軟件HFSS實現對矩形波導管的仿真，在求解矩形波導管主要模式的基礎上設定波導管的尺寸，并觀察其主模的電場、磁場以及壁電流分布。整個課程設計內容里并沒有提到用什么方程來求解，也沒有說用什么方法求解。學生拿到題目以后需要自己去思索:這是一個有關波導管的工程問題，這個工程問題相關的物理現象是什么，描述這個物理現象的數學公式是哪一個，為了能表達出波導管內部的場分布，必須要求解定解問題，那么與之相關的邊界條件又是什么。這個課程設計的內容立足于定解問題的求解，而且是直角坐標系下波動方程的定解問題的求解，計算上并不復雜，難的是理論上的理解。學生普遍反映雖然課本上早已做過了類似的題目，但是他們還是去查了一些相關的教科書，還在網上尋找資料，最后發現其實求解的就是他們學過的東西。這就是理論和工程應用相對照的一個過程。同時，通過這次課程設計，學生普遍反映他們對HFSS這個商業軟件的建模方法和仿真手段有了相對深入的了解，對波動方程和亥姆霍茲方程的推導和求解認識深刻。“電磁場與波”是針對本科第4學期的學生開設的課程，其主要內容涉及靜態電磁場和時變電磁場的基礎理論知識［11］。學生在前修課程大學物理中學習了很多關于靜態場的知識，空間中電磁波的傳播行為和狀態是一個全新的內容，需要學生花更多的時間來學習波在空間中的傳播情況。而課堂教學中，描述波的情況時一般用正弦波來描述(動態多媒體描述的時候也一樣)，這種描述方法和機械波完全一樣，學生在學習電磁波時通常以機械波為原型來進行理解，這種理解方法使得他們在學習駐波、行駐波時出現困難。因此對這門課的課程設計題目做了如下設計:利用編程軟件Matlab實現對下述物理現象的建模，并實現電磁波在全空間中的變化情況。一均勻平面波從半無限大自由空間(z＜0的區域)入射到一介質分界面(介質存在于z＞0的半空間)，介質的電參數為εr=4，μr=1，σ=1，分別對以下情況進行建模:1)線極化波垂直入射到介質分界面;2)平行極化波以入射角θ(θ＜θc，其中θc為臨界角)入射到分界面;3)圓極化波以入射角θb(θb為布儒斯特角)入射到分界面;針對上述3種情況，分別描述入射波、反射波和投射波在空間中的變化情況，并標明各波的能量變化。學生經過這次課程設計后，首先會對使用Matlab進行編程設計有一定的了解，能夠用Matlab進行電磁波的動態顯示。其次會學會利用其他工具主動學習在課堂上難以理解的物理現象，這有助于學生在以后的學習中能夠主動利用現有的編程軟件或者商業軟件平臺進行知識探索。最后，學生在進行編程建模仿真的過程中強化了知識點的學習。課程設計包含了電磁場與波這門課程中關于平面波的傳播、平面波在介質分界面上的變化、不同的極化方式在通過介質分界面時和入射角之間的關系等等問題，知識點囊括了電磁波在無界/半無界空間中的傳播問題，而這也是本課程中有關電磁波問題的重點學習內容。“微波技術基礎”是一門具體涉及微波器件的課程，不同的器件有不同的電性能和參數設計方法，不同的傳輸模式在同一器件中也表現出不同的特性［12］，因此要設計一個相對全面的課程設計比較困難。針對不同的知識點進行了不同的課程設計題目的設計，例如:1)針對波導腔體中的模式問題，進行了模式分析編程設計;2)針對諧振腔和微擾理論，進行了諧振模式和微擾后的諧振情況建模仿真討論;3)針對左手結構材料的概念，進行了左手/右手結構的功分器設計，以此討論兩種不同結構下電磁波的傳播和器件表現在外的性能;4)針對磁材料的特性，進行了極化扭轉波導仿真設計。通過這些課程設計，使得學生在學習不同的微波器件性能的同時，對微波器件的設計方法、性能和其中的電磁場分布有了更加深刻直觀的了解和認識。

3結束語

綜上所述，在計算機完全普及開來的大學課程學習中，在電磁波理論相關課程的課堂教學中利用課程設計敦促學生利用編程軟件和商業仿真軟件對相關知識點進行模型化仿真和現象分析，有助于進一步加深學生對知識點的縱向和橫向理解掌握，豐富課堂教學的形式，使得學生對理論的理解更加清晰，對理論對應的工程應用了解更加明確。這對于目前的大學本科學習來說，是一個非常有利的學習手段和方法。

作者:駱無窮 王園 唐璞 潘錦 單位:電子科技大學

參考文獻

［1］彭麟，姜興，仇玉杰.舉例淺談在電磁場課程教學中引入科研前沿［J］．科技視界，2016(5):52－52.

［2］劉靖納，陳東陽，冀建利，等.“電磁場理論”課程教學改革的探索與實踐［J］．石家莊鐵道大學學報(社會科學版)，2008，2(2):105－108.